Техническое задание и предложение специализированных микропроцессорных устройств

106

Размещено на http://www.allbest.ru

Техническое задание и предложение специализированных микропроцессорных устройств (СМУ)

1. Исходные данные для проектирования

В настоящее время не существует общей методики системного проектирования, а, следовательно, нет и соответствующих САПР, разработаны лишь частные методики, основывающиеся на конкретных требованиях ТЗ и использующие методы прикладной математики, а также опыт и интуицию разработчиков.

Исходные данные для проектирования в общем случае должны включать в себя:

перечень типов (i = 1,...,N) функциональных задач, решаемых СМУ, характеристики ФЗ каждого i- го типа;

характеристики входных потоков требований (сигналов инициализации решения задачи) на решение ФЗ (функциональных задач) каждого типа;

критерии оценки эффективности проектирования СМУ;

требования к художественно-конструкторскому оформлению и к патентной защищённости.

Задача описывается, как правило, с помощью математических формул или посредством представления последовательности действий, которые предусматривают преобразование исходных данных X в результаты Y (где X и Y векторы конечной размерности).

Кроме того, в ТЗ задача может быть представлена в виде граф - схемы алгоритма или в какой - либо другой форме. В ТЗ необходимо описать способы получения и выдачи данных, формы представления исходных данных и результатов решения задачи и по возможности указать устройство ввода, вывода и передачи информации, их технические характеристики (с учётом требований комплексирования средств).

Требования (заявки) на решение задач i -го типа могут поступать в СМУ в виде детерминированного либо случайного потока, особенность этого потока заключается в том, что требования поступают в заранее заданные моменты времени. Кроме того, предусматривается момент выдачи результатов решения задачи по требованию. Для каждого требования может задаваться допустимое время решения задачи.

Случайные потоки заявок отличаются тем, что требования i -го типа поступают в СМУ в случайные моменты времени. Величина интервала времени между моментами поступления требований на решение задачи i -го типа является случайной. Поток требований на входе в СМУ предполагается пуассоновским. Поток результатов решения задач на выходе СМУ, как правило, не является пуассоновским.

Если задача проектирования ставится как задача оптимизации, необходимо вводить критерии оптимизации. В общем виде они могут быть представлены как целевая функция, подлежащая оптимизации:

F = minF(y1,y2,...,yM);

оптимизация осуществляется с учётом системы ограничений

(i = 1,...,M),

где y1,y2,...,yM - составляющие эффективности или частные критерии качества проектирования, в частности, оценки временных и точностных характеристик решения задач всех типов i (i = 1,...,N), технико-экономические и эксплуатационно-технические характеристики СМУ, а также эргономические требования к художественно-конструктивному оформлению готового изделия.

Вновь проектируемое изделие должно быть защищено патентом, подтверждающим его новизну и полезность.

2. Разработка прикладных алгоритмов

Процесс построения алгоритма принято называть алгоритмизацией. В свою очередь, процесс применения алгоритма к исходным данным называют алгоритмическим процессом. В самом общем виде он представляет собой последовательность арифметических и неарифметических операций, посредством которых производится преобразование исходных данных.

Изучение возможности алгоритмизации исходной задачи, построения алгоритмов и анализ их характеристик осуществляется в рамках прикладной теории алгоритмов. Специализированные ФЗ делятся на три типа: с известными и неизвестными прикладными алгоритмами; недостаточно точными и неполными исходными данными.

Основные типы решаемых задач {i} {I}:

1. Арифметические задачи:

скалярные вычисления;

линейная алгебра;

преобразования, обработка сигналов;

вычисления с двойной и многократной точностью, комплексная арифметика;

элементарные и специальные функции;

традиционные алгоритмы: сеточные, Рунге-Кутта, Ньютона и т.д.

Логические задачи:

преобразование текстов;

вычисления на графах;

теоретико-множественные вычисления;

аналитические преобразования;

логические вычисления и эмуляция;

преобразование форматов, сжатие информации;

кодирование - декодирование;

генерация псевдослучайных чисел;

преобразование структур;

задачи искусственного интеллекта;

распознавание образов.

Геометрические задачи:

преобразование изображений и картин;

построение, модификация и преобразование сеток;

построение рисунков, графиков, многомерных изображений;

манипулирование геометрическими объектами, компоновка, размещение, трассировка.

Задачи управления:

управление базами данных, объектами, процессами;

операционные системы;

теория игр, массовое обслуживание, планирование.

Очевидно большое отличие перечисленных типов ФЗ друг от друга. Поэтому разработка алгоритмов начинается с уяснения цели их проектирования, формирования основных функций, которые предполагается решить с помощью СМУ, и определения основных ограничений и критериев оценки эффективности, разрабатываемых алгоритмов, что должно содержаться в ТЗ.

Рекомендуется такая последовательность разработки алгоритмов:

определение назначения и основных функций алгоритмов;

разработка схемы алгоритмов;

программирование и отладка программы на ЭВМ общего назначения (кросс ЭВМ) и во взаимодействии с реальными объектами;

испытание алгоритмов и программ.

В процессе исследования и отработки принимаемых решений необходимо математическое моделирование алгоритмов; разработку их в общем случае следует рассматривать как итеративный процесс последовательного улучшения вариантов в результате анализа характеристик алгоритмов.

Анализ прикладных (функциональных) алгоритмов обязательный этап проектирования СМУ. На этом этапе осуществляется выбор наиболее рациональных вариантов машинных алгоритмов, получение исходных данных для определения основных технических характеристик СМУ, зависящих от машинных алгоритмов: структуры, типа модулей и т.д.

Рассмотрим основные характеристики прикладных алгоритмов, по которым проводится оптимизация. Частными критериями оптимальности алгоритмов могут быть минимумы:

- трудоёмкости, связности и методической погрешности.

Эти критерии связаны с соответствующими критериями качества СМУ быстродействием, экономичностью, точностью.

Трудоёмкость алгоритма количество эталонных операций, выполняемых при реализации алгоритмов задачи. Эталонная операция это реальная или условная операция, абсолютная длительность которой принимается постоянной, например длительность микротакта устройства управления.

Трудоёмкость алгоритма можно определить либо на множестве математических операций, либо на множестве машинных операций (количество машинных операций). При этом необходимо принять во внимание переменную длительность машинного цикла.

Связность алгоритма равна наибольшему числу промежуточных результатов, которое необходимо хранить одновременно в процессе реализации алгоритма. Связность алгоритма влияет на объём ОЗУ СМУ.

В своей работе СМУ использует численные методы решения задач. От их выбора зависит погрешность алгоритма.

Некоторые участки алгоритма могут использоваться многократно. Цикличность алгоритма характеризует степень многократного использования участков алгоритма в процессе одной его реализации.

Анализ алгоритмов СМУ можно проводить путём непосредственного подсчёта числа операций. Если алгоритм имеет разветвления, необходимо знать вероятности выбора отдельных ветвей, что требует применения методов моделирования, которые имеют развитую инструментальную поддержку.

При использовании одноадресной команды потребное число операций: сложения Есл = 3; умножения Еумн = 7 и пересылки Епос= 1.

Допустим, что относительная длительность выполнения операции сложения tсл = 9, tумн = 81 и пересылки tпос = 6. Тогда основная трудоёмкость алгоритма

T = tсл*Eсл + tумн*Eумн + tпос*Eпос = 9*3+81*7 +6*1 = 600 (3)

Если время выполнения эталонной операции tэ = 5 мкс, то время реализации алгоритма

tsin = T*tэ = 600*5 = 3000 мкс (4)

При возможности реализовать исследуемый алгоритм на кроссовой ЭВМ применяют метод частичных матричных испытаний, сущность которого состоит в многократной реализации исследуемого алгоритма на схемном эмуляторе (имитаторе) СМУ. При этом кросс ЭВМ осуществляет управление и обрабатывает результаты полунатурного эксперимента. Исходные данные поступают на кросс ЭВМ, которая также определяет значение для каждого s-го варианта исходных данных.

При наличии программного эмулятора на микропроцессорной БИС, применяемый метод моделирования алгоритма для определения трудоёмкости и рациональной системы команд МП с целью реализации прикладного алгоритма СМУ.

Структура системы для определения характеристик исследуемого алгоритма изображена на рис 2.

При проектировании прикладных алгоритмов требуется решение задачи оптимизации структуры алгоритмов для обеспечения устойчивой работы СМУ при наличии сбоев и отказов, а также контроля правильности решения прикладных задач.

Оптимизация структуры алгоритма и организационного базиса, в котором реализуется алгоритм, осуществляется методом направленного перебора. Процессы разработки, анализа и оптимизации алгоритма взаимосвязаны, между ними существуют итеративные возвраты к предыдущему этапу, если не выполняются условия реализации текущего этапа. Однако набор операций, эффективный для одного класса алгоритмов, может оказаться неэффективным для другого класса.

В общем случае процесс оптимизации алгоритмов сложен и трудоёмок. Теория оптимизации алгоритмов ещё исследуется, поэтому в настоящее время невозможно дать конкретные универсальные рекомендации по способам оптимального построения алгоритмов. На практике широко используются методы оптимизации по частным критериям. При этом приходиться ограничиваться приближённо-оптимальными решениями, которые получают с использованием некоторых эвристических приёмов и правил.

Эвристические правила позволяют оперативно улучшать предыдущие варианты алгоритмов с учётом выбранного критерия эффективности. Наиболее общий метод поиска направленный перебор вариантов, который может быть основан на методах полиномиальных приближений, интерполяции, экстраполяции, теории цифровых автоматов, теории транспортных сетей, сетевых графиков и других.

Операции, которые позволяют производить формальные преобразования операторов алгоритма, называются равносильными (эквивалентными) преобразованиями алгоритмов. Эквивалентные преобразования алгоритмов могут быть точными и приближёнными.

К точным методам эквивалентных преобразований алгоритмов относят:

переход к рекуррентным математическим зависимостям;

преобразование структурной схемы алгоритма;

комбинирование частей алгоритма.

Принципы приближённых эквивалентных преобразований алгоритмов включают в себя:

отсеивание несущественных и малых переменных;

замену сложных функциональных зависимостей, входящих в математическое выражение алгоритма, рядом более простых, приближённо эквивалентных исходным в заданном диапазоне изменения переменных;

замену сложного алгоритма простым в заданном диапазоне изменения переменных;

замену сложного алгоритма в целом или некоторых его подалгоритмов более общими выражениями, статически эквивалентными исходному алгоритму в заданной области множеств исходных данных и результатов их переработки;

представление аналитическим выражением, зависящим от минимального числа исходных параметров.

Банк прикладных алгоритмов САПР должен до уровня ПР отображать множества связанных ФЗ для их реализации на СМУ.

Среди этого множества ФЗ необходимо искать требуемые, т.е. определяемые заказчиком. Ещё раз подчеркнём здесь следующие обстоятельство: цикл жизни программного обеспечения можно подразделить на анализ и спецификацию проблемы; проектирование (декомпозицию на модули и алгоритмизацию); реализацию (кодирование, отладку, тестирование, документирование); эксплуатацию. Затраты на разработку составляют около 40 %, затраты на эксплуатацию (обучение, локализация, исправление ошибок и модификация) около 60 % от общих затрат. Однако почти все кросс-системы обеспечивают только этап реализации программ. Т.е. нет интегрированных систем для поддержки внешнего проектирования ВС, как нет и развитых инструментальных средств системотехнического и аппаратурного проектирования.

3. Базисные структуры СМУ

Среди множества структур ВС можно выделить широко используемую, типа «Базовая машина плюс функционально-ориентированное устройство » (БМ + ФОУ). Степень соответствия структуры ФОУ реализуемой (реализуемым) ФЗ определяет функциональную ориентацию ФОУ.

ВС типа БМ + ФОУ делятся на три группы: системы, ориентированные на ФОУ; системы, ориентированные на БМ; системы сбалансированные.

В первой группе систем (предмета нашего интереса) ФЗ решаются преимущественно на ФОУ, которые управляют объектом (объектами). ФОУ имеет собственные поля ПВС и ПС с БМ. БМ сервисно обслуживает ФОУ.

Существует множество вариантов построения ФОУ для решения различных ФЗ вычислительного и не вычислительного характера. Особенно широкое распространение получили ФОУ контроллеры управления различного рода объектами, к которым отнесём машины, оборудование, приборы, а также устройства ЭВМ.

Возникает задача анализа общей структуры ВС и выделения из множества I = {i;:i = 1,...,I} ФЗ подмножества i I с последующей их реализацией на ФОУ.

На первом этапе проектирования можно указать следующую схему взаимодействия заказчика и разработчика (рис ).

Банк базисных структур САПР может (должен) содержать множество наиболее используемых структур функциональных и технических. Функциональное расширение достигается использованием многофункциональных элементов. Тогда ТС СМУ будет обладать свойством однородности конструктивных (технических) модулей в условиях регулярности связи между функциональными модулями.

Покрытие базисных функциональных структур техническими модулями осуществляется с учётом минимизации ТС, равномерности загрузки отдельных модулей СМУ. Для реализации процедуры покрытия используется карта ФЗ, строкам которой ставятся в соответствия типовые унифицированные технические модули.

Базовыми функциональными структурами СМУ будем называть конечный продукт перехода от предельного множества ФЗ к их предельному ограничению без потери общего функционального назначения СМУ.

Рисунок Схема взаимодействия заказчик-разработчик

Базовыми техническими структурами СМУ будем называть результат покрытия базовых функциональных структур СМУ техническими модулями.

Как показывает практика число вариантов функциональных структур можно резко сократить из-за реализации ряда идентичных процессов на уровне макро ФЗ. Используя принцип временного совмещения (разделения) ФЗ, можно создать экономичные структуры СМУ. Если не приходится вести разработки принципиально новых систем, реализующих оригинальные ФЗ с применением ТС модулей, работа которых основана на новых физических принципах, то тогда банк базовых функциональных структур (БФС) СМУ будет содержать структуры, отражающие совокупность связанных ФЗ в рамках алгоритмов параграфа 2.

Однако даже в рамках одного вида прикладного специализированного алгоритма можно выделить базовые ФЗ и дополнительные ФЗ. Тогда виды алгоритмов можно разделить на типы, отличающиеся множествами различных дополнительных ФЗ. Например, выделим такой вид алгоритма, как алгоритм прямого программного управления объектом. При переходе от одного типа объекта к другому можно обнаружить множество отличных дополнительных ФЗ, связанных с особенностями характеристик объектов и режимами их работы. Вероятно, можно получить унифицированную БФС СМУ, с помощью которой можно будет создать СМУ, способное управлять объектами определённых типов.

На рис.4 изображена обобщенная БФС СМУ определённого вида на уровне ФЗ.

Последующая детализация позволяет привести БФС к уровню ФУ.

Все ФУ БФС СМУ являются специализированными, но могут реализоваться и на универсальных (многофункциональных) технических модулях.

Для перехода к базовым техническим структурам (БТС) СМУ необходимо построить временные диаграммы активности ФУ, по которым ведётся анализ временных соотношений между ФУ.

Число вариантов БТС зависит от временных соотношений между ПР, входящими в состав соответствующей ФУ. Для согласования скоростей потоков информации в структуру включаются согласующие ФУ, которые отображаются на специализированные технические модули.

Если соответствия между функциональными и техническими модулями однозначно, то задача синтеза ТС СМУ сводится к комплектованию схемы из готовых модулей.

БФС и БТС СМУ, находящиеся в банке структур, должны:

соответствовать алгоритмам банка алгоритмов;

содержать модули ФЗ, ФС, ФУ и ПР с описанием их характеристик и параметров;

включать технические модули только серийные с описанием их параметров и соотношений между ними;

давать полную информацию для сравнительного анализа структур СМУ.

Отметим здесь, что БФС и БТС СМУ являются исходным материалом, «полуфабрикатом » на пути синтеза окончательной ТС СМУ.

При синтезе ТС применяются различные математические методы, например, создание имитационных моделей, а также типовых проектных решений (ТПР), позволяющие эффективно разрабатывать структуры при относительно меньших затратах на проектирование. Однако необходимо помнить, что метод ТПР не определяет оптимальный вариант структуры.

Переход от функциональной структуры к технической не всегда очевиден.

Основой для разработки общей структуры СМУ является оптимизированный на данном этапе алгоритм прикладной задачи.

В аспекте функциональной структуры можно выделить несколько ФЗ.

Это приём элементов массивов:

A = {a1,...,am}, B = {b1,...,bn}, C = {c1,...,cq}, D = {d1,...,dp},

хранение, обработка информации, промежуточное хранение, выдача результата y пользователю.

Совокупность ФС должна определить как (каким образом) будет осуществляться процесс ввода-вывода, обработки и хранения информации.

Рисунок Базовая функциональная структура СМУ на уровне ФЗ

Для реализации ФС потребуются следующие ФУ: процессор, память, устройство ввода-вывода, интерфейс. На уровне технической структуры необходимо осуществить формализацию связей технических подсистем. И вот здесь появятся эвристически синтезированные варианты структур. Каждый вариант оценивается по оптимальным параметрам ТЗ. Здесь широко используются методы имитационного моделирования.

специализированное микропроцессорное устройство алгоритмизация алгоритм



ФУхр - Функция хранения; ФУобр- Функция обработки;

ФУобм - Функция обмена; ФУупр - Функция управления.

Рисунок Базовая функциональная структура СМУ на уровне ФУ



Рисунок Алгоритм решения задачи

Критерий выбора вариантов в практике решения задач - либо быстродействие, либо экономия в технических средствах.

В настоящее время нет общего формализованного процесса получения альтернативных вариантов структур систем и выбора структурных характеристик систем.



Рисунок Отображение алгоритма на совокупность ФУ СМУ

После окончания системотехнического проектирования приступают к выбору конкретной технической базы (технических средств).

Размещено на Allbest.ru